《第10章 基于ARM微处理器的硬件系统设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第10章 基于ARM微处理器的硬件系统设计.ppt（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十章基于ARM微处理器的硬件系统设计 1 基于ARM微处理器的系统设计概述2 基于ARM内核的常用微处理器简介飞思卡尔i MX27 三星S3C2440A 其他3 ARM微处理器最小硬件系统电源 时钟 复位 存储器 调试接口4 人机交互接口键盘与LED接口 LCD显示接口 触摸屏接口5 通信接口串行通信接口 其他通信接口 基于ARM内核的常用微处理器简介 ARM微处理器有多种内核结构 还有多种多样的内部功能配置组合 所以在设计一个系统时选择最合适的ARM芯片是非常重要的 一些主流的ARM9处理器芯片如 三星 S3C2440A 飞思卡尔 MC9328MX27 Atmel公司 AT91SAM926
2、3 意法半导体 STR91x 恩智浦半导体 LPC2000系列 三星公司推出的基于ARM内核的微处理器主要面向消费类便携式设备 为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案 包括 采用ARM7TDMI内核的S3C44B0和S3C3410采用ARM926EJ S内核的S3C2412 S3C2413 S3C2416 S3C2450和S3C24A0采用ARM920T内核的S3C2410 S3C2440 S3C2442和S3C2443采用ARM1176JZF内核的S3C6400等三星公司采用ARM内核的微处理器主要按照应用来划分 如通用型32位MCU主要采用ARM7TDMI内核 面向C
3、AN LIN总线 以太网 发动机控制和RFID等应用场合 三星公司的ARM微处理器芯片 三星公司的S3C2440A 采用ARM920T内核 实现了MMU AMBA总线和哈佛架构的高速缓冲体系结构 在高速缓存方面采用了独立的16KB的I cache和16KB的D cache 采用0 13 mCMOS工艺标准宏单元和存储器单元 其低功耗 简洁的结构和全静态电路设计特别适合对成本和功耗敏感的应用 为了降低整机系统的成本 提供了各类丰富的功能模块 在系统设计中无需配置额外的外部组件 飞思卡尔公司的ARM微处理器芯片 美国飞思卡尔公司采用ARM内核的微处理器命名为i MX系列 该系列主要包含以下子系列
4、i MXS i MXL i MX1 i MX21 i MX27 i MX31 i MX35 i MX37 i MX51等该系列微处理器主要应用于智能手机 便携式多媒体播放器 便携式导航设备 视频监控 销售终端机系统和条码扫描仪等消费类 工业 健康等领域的产品 除i MX系列微处理器以外 飞思卡尔公司还有少数其他产品也采用了ARM内核 例如适用于便携式多媒体播放器和导航设备的STMP37XX系列产品 飞思卡尔公司的i MX27 采用ARM926EJ S内核 一级指令缓存和数据缓存各有16KB集成了16通道DMA和ETM实时调试接口AHB总线采用了6 3多层交叉开关 MAX 支持多个并行事项 改善
5、总线的有效吞吐量 其外部存储器接口可以支持16 32位SDRAM或DDR存储器 8 16位NANDflash存储器和PSRAM Atmel公司的ARM微处理器芯片 美国Atmel公司继成功推出AT89系列 兼容MCS 51 和AT90系列 RISC 单片机后 采用业界流行的ARM内核推出了更强的32位AT91系列微控制器 该系列主要包含以下子系列 AT91M42800A AT91M55800AAT91RM9200 AT91SAM7AAT91SAM7L 低功耗 AT91SAM7SAT91SAM7SE AT91SAM7XAT91SAM9 AT91SAM9XE和AT91X40AT91系列微控制器使用
6、高密度CMOS技术 集成了ARM内核和大量的Flash存储器 片内RAM和各种外围功能模块 为许多需要加强运算的嵌入式应用提供了高度灵活且性价比高的解决方案 Atmel公司的AT91SAM9263 基于ARM926EJ S内核的32位微处理器带MMU存储器管理单元 支持DSP扩展指令和JAVA硬件加速 当运行在200MHz时拥有220MIPS的运算性能AT91SAM9263具备两组独立的外部存储器总线EBI0和EBI1 可以连接多种内存设备和大容量IDE硬盘设备内部嵌有LCD控制器 可支持2D图形加速 双通道DMA和图像传感器接口集成了多种标准外设接口 例如USART SPI TWI 定时计数
7、器 PWM 多媒体卡接口和CAN控制器等 意法半导体公司的ARM微处理器芯片 意法半导体有限公司 STMicroelectronics 是全球最大的半导体公司之一 其采用ARM内核的微处理器主要包括三个系列 采用Cortex M3内核的STM32系列 采用ARM7TDMI内核的STR7系列和采用ARM966E S内核的STR9系列 STM32系列产品得益于Cortex M3在架构上进行的多项改进 包括性能和代码密度同时得以提升的Thumb 2指令集 大幅度提高的中断响应 而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平 STR7系列产品融合了16位和32位产品的优势 适合嵌入式控制应用 如工业控制
8、工厂自动化 销售终端设备 医疗和测试设备以及电信和消费电子应用等 STR9系列结合了ARM9E处理器内核和通用闪存 并加入了联网功能 使实现各种要求苛刻的应用变得更加简单和廉价 意法半导体公司的STR91x 采用96MHzARM966E S内核 带有单周期的DSP指令和与介质无关的联网功能 大容量存储器可满足复杂的应用 实时操作系统 RTOS 通信协议栈和数据存储的需求 双体闪存是实现在线编程 IAP 和E2PROM仿真的理想结构 具有优化DMA数据流的10 100M以太网接口 支持USB CAN SPI I2C UART IrDA和多个计时器 最多80个5V兼容的GPIO 带有10位ADC并
9、具有全方位的CPU监控功能 灵活的功耗和时钟管理功能 具有多种低功耗模式和带闹钟功能的低功耗实时时钟 恩智浦半导体的ARM微处理器芯片 恩智浦半导体由飞利浦在50多年前创立 恩智浦提供半导体 系统解决方案和软件 为电视 机顶盒 智能识别应用 手机 汽车以及其他形形色色的电子设备提供更好的感知体验 恩智浦半导体基于ARM7的LPC2000为32位微控制器设定了新的性价比 包括LPC213x LPC214x LPC2101 2 3等系列 采用了0 16 0 18 m工艺更高性能产品系列 LPC2300 LPC2400 LPC2800 采用了0 14um工艺 恩智浦半导体的LPC2000 ARM7T
10、DMI S内核三级流水线冯 诺依曼架构T Thumb指令集D Debug扩展M 增强的乘法指令 32Bx8B 64B I 内核带有EmbeddedICE逻辑功能扩展S 软核高速嵌入式Flash丰富的外设资源UART SPI I2C CAN USB ethernet等工业级芯片工作温度范围 40 C 85 C 105 C丰富开发工具支持高性能 低价格 ARM芯片的选型 性能参数的考虑ARM核版本工作频率内部存储器容量电源控制DSP协处理器功耗外设接口的考虑USB接口RTCGPIO数量其他因素芯片封装的选择芯片的封装有很多种类型 如 DIP QFP PGA BGA等在散热性能 信号完整性特性 体积
11、大小等方面的要求 ARM微处理器最小硬件系统的设计 ARM微处理器 电源模块 包括CPU内核和I O接口电源电源 时钟模块 包括系统主时钟和实时时钟 复位模块 包括系统上电复位 手动复位和内部复位 存储器模块 包括程序保存存储器 FLASH 和程序运行存储器 SDRAM JTAG调试接口模块 最小硬件系统通常是指以嵌入式处理器为核心 包含电源 时钟和复位等保障处理器正常工作的基本硬件电路 S3C2440A最小硬件系统 电源模块 电源模块是系统工作的能量来源 其电压 纹波 内阻和驱动能力等性能直接影响到系统工作的稳定性 因此电源模块在系统设计中至关重要 电源电压一定要在系统需求的范围之内电源的驱
12、动能力一定要能满足整个系统的功率需求电源纹波和电路干扰的处理在设计PCB时需要对模拟电源和数字电源进行物理上的隔离 S3C2440A最小硬件系统 时钟模块 时钟模块为系统提供同步工作信号 其稳定性直接关系到系统的工作稳定性 在ARM嵌入式系统中通常包括频率较高的系统主时钟和频率较低的实时时钟 时钟经内部锁相环后得到四组时钟信号 FCLK ARM920T内核HCLK AHB总线 存储器控制器 中断控制器 LCD控制器 DMA控制器和USB主机模块PCLK 访问APB总线的外设 如WDT I2S I2C PWM定时器 MMC接口 ADC UART GPIO RTC和SPI等模块UCLK USB模块
13、需要的48MHz时钟 S3C2440A最小硬件系统 复位模块 一般来说系统对外部复位信号波形有一定的要求 若不能满足要求 例如持续时间过短 则系统将不能正常工作 复位类型 系统上电复位 手动复位和内部复位1 系统上电复位 手动复位 外部电路复位内部复位 系统内部事务处理 看门狗复位 看门狗本质实际上是一个计数器 当计数到初始设置值 就向CPU的nReset引脚输出低电平 因此当程序运行时需要定时喂狗 看门狗检测到喂狗信号时计数值清0 复位异常处理情况详见 P235最前面第二段 P314最后两段 ARM微处理器一般都采用JTAG作为调试接口 通过并口连接到调试主机 如果没有并口 可以通过JLin
14、k实现USB接口转JTAG S3C2440A最小硬件系统 JTAG调试接口 TCK 测试时钟输入 TDI 测试数据输入 数据通过TDI输入JTAG口 TDO 测试数据输出 数据通过TDO从JTAG口输出 TMS 测试模式选择 TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式 nTRST 可选引脚 测试复位 输入引脚 低电平有效 存储器模块为系统程序的保存和运行提供空间 在系统设计中主要根据处理器的存储器接口选择合适的存储器芯片 存储类型 容量 速度和接口类型 ARM最小系统中的存储器通常包括存放程序的NANDFlash和用于程序运行的SDRAM 存储器模块通常挂接在ARM芯片的局部总线上 外部三
15、总线 S3C2440A最小硬件系统 存储器模块 Steppingstone 为系统从外部Flash存储器引导提供支持 弹簧床 意义详见图10 7上面的文字 NandFlash控制器模块框图 S3C2440系统引导流程示意图 SDRAM特征 在SDRAM内部一般要将存储芯片的存储单元分成两个以上的体 bank 最少两个 目前一般做到4个 这样一来 当对SDRAM进行读 写时 选中的一个体 bank 在进行读 写时 另外没有被选中的体 bank 便可以预充电 做必要的准备工作 当下一个时钟周期选中它读或写时 它可以立即响应 不必再做准备 这显然能够提高SDRAM的读 写速度 而标准DRAM在读 写
16、时 当一个读 写周期结束后 RAS和CAS都必须停止激活 然后要有一个短暂的预充电期才能进入到下一次的读 写周期中 其速度显然会很慢 标准的DRAM可以看成内部只有一个体的SDRAM 为了实现内部的多体并使它们能有效地工作 SDRAM就需要增加对于多个体的管理 这样就可以控制其中的体 bank 进行预充电 并且在需要使用的时候随时调用 一个具有两个体 bank 的SDRAM一般会多一条叫做BA0的引脚 实现在两个bank之间的选择 一般地 当BA0是低电平时 表示Bank0被选择 而当BA0是高电平时 Bank1就会被选中 显然 若芯片内有4个体 bank 时 就需要两条引线来选择 通常就是BA0和BA1 典型SDRAM芯片引线功能定义 A0 A12 地址输入引线 当执行ACTIVE命令和READ WRITE命令时 用来决定使用bank内的哪个基本存储单元 CLK 时钟信号输入引线 CKE 时钟允许引线 高电平有效 当这个引脚处于低电平期间 提供给所有bank预充电和刷新的操作 nCS 片选信号引线 用SDRAM构成的内存条一般都是多存储芯片架构 这个引脚就用于选择进行存取操作的芯片
